Os Fundamentos da Física: Halliday e Resnick

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21.2 – Carga Elétrica

A carga elétrica é uma característica intrínseca das partículas fundamentais que forma os objetos, ou seja, ela é uma característica que acompanha automaticamente essas partículas onde quer que elas existam.

A imensa quantidade de carga em um objeto do dia-a-dia fica normalmente escondida porque o objeto contém quantidades iguais dos dois tipos de cargas: cargas positivas e cargas negativas. Com tal igualdade – ou equilíbrio – de cargas, dizemos que o objeto está eletricamente neutro; ou seja, sua carga resultante é nula. Se os dois tipos de carga não estiverem em equilíbrio, então existirá uma carga resultante. O desequilíbrio é sempre muito pequeno comparado com as quantidades totais de carga positiva e de carga negativa contidas no objeto.

Objetos carregados interagem exercendo forças uns sobre os outros. Experimentalmente podemos verificar que: cargas com o mesmo sinal elétrico se repelem, e cargas com sinais elétricos contrários se atraem.

As classificações e os sinais “positivos” e “negativos” para a carga elétrica foram escolhidos arbitrariamente por Benjamin Franklin.

A atração e a repulsão entre corpos carregados possuem muitas aplicações industriais, incluindo a pintura eletrostática por aspersão de tintas e camada de tinta em pó, coleta de cinzas muito finas em chaminés, impressão com jato de tinta sem impacto e fotocópias.

[pic 5]

21.3 – Condutores e Isolantes

Em alguns materiais, como por exemplo, os metais, a água da torneira e o corpo humano, parte da carga negativa pode se mover com uma certa liberdade. Chamamos tais materiais de condutores. Em outros materiais, como o vidro, a água quimicamente pura e plásticos, nenhuma carga consegue se mover livremente. Chamamos estes materiais de não-condutores ou isolantes.

As propriedades dos condutores e isolantes se devem à estrutura e à natureza elétrica dos átomos. Os átomos são formados por prótons carregados positivamente, elétrons carregados negativamente e nêutrons eletricamente neutros. Os prótons e os nêutrons estão reunidos de forma bem compacta em um núcleo central.

A carga de um único elétron e a de um único próton possuem a mesma intensidade, mas sinais contrários. Portanto, um átomo eletricamente neutro contém quantidades iguais de elétrons e de prótons. Os elétrons são mantidos próximos ao núcleo porque possuem sinal elétrico contrário ao dos prótons no núcleo, sendo assim atraído pelo núcleo.

Semicondutores – como por exemplo o silício e o germânico, são materiais intermediário entre os condutores e os isolantes. A revolução microeletrônica que transformou nossas vidas de tantas maneiras se deve a dispositivos construídos usando materiais semicondutores.

Finalmente, existem os supercondutores, assim chamados por não apresentarem nenhuma resistência ao movimento das cargas elétricas através deles. Quando a carga se move através de um material, dizemos que existe uma corrente elétrica no material.

21.4 – A lei de Coulomb

Duas partículas carregadas exercem forças uma sobre a outra. Se as cargas das partículas têm o mesmo sinal, as partículas se repelem, ou seja, são submetidas a forças que tendem a afastá-las. Se as cargas das partículas têm sinais opostos, as partículas se atraem , ou seja, são submetidas a forças que tendem a aproximá-las.

Essa força de repulsão ou atração associada à carga elétrica dos objetos é chamada de força eletrostática. A lei que permite calcular a força exercida por partículas carregadas é chamada de lei de Coulomb em homenagem a Charles-Augustin de Coulomb, que a propôs em, 1785, com base em experimentos de laboratório. Em termos das partículas da figura, onde a partícula 1 tem uma carga q1 e a partícula 2 tem uma carga q2, a força a que está submetida a partícula 1 é dada por

[pic 6] (Lei de Coulomb)

em que rˆ é um vetor unitário na direção da reta que liga as duas partículas, r é a distância entre as partículas e k é uma constante.

[pic 7]

A intensidade da força eletrostática é dada por:

[pic 8]

Cada partícula exerce uma força com esta intensidade sobre a outra partícula; as duas forças formam um par de forças da terceira lei de Newton. Se as partículas se repelem, a força que age sobre cada partícula está na direção que une as partículas no sentido contrário ao da outra partícula. Se as partículas se atraem, a força sobre cada partícula está na direção que une as partículas no sentido da outra partícula.

A equação é chamada de lei de coulomb em homenagem a Charles Augstin Coulomb, está equação é semelhante a equação de Newton para a força gravitacional entre duas partículas com uma determinada massa e separadas por uma distância r:

[pic 9]

Onde G é a constante gravitacional.

A constante k da lei de Coulomb, por analogia com a constante gravitacional G da equação de Newton, pode ser chamada de constante eletrostática.

Por razões práticas relacionadas com a precisão das medições, a unidade no SI de carga é deduzida a partir da unidade SI de corrente elétrica, o ampère (A). A unidade de carga no SI é o coulomb (C): um coulomb é a quantidade de carga que é transferida através da seção transversal de um fio em 1 segundo quando há uma corrente de 1 ampère no fio.

Por razões históricas (e porque fazendo assim simplifica muitas outras fórmulas), a constante eletrostática k é normalmente escrita como [pic 10]. A lei de Coulomb torna-se então

[pic 11]

A constante possui valor

[pic 12]

A grandeza [pic 13], é chamada de constante de permissividade, às vezes aparece separadamente nas equações.

Existe um outro paralelo entre a força gravitacional e a força eletrostática – ambas obedecem ao principio da superposição. Se tivermos n partículas carregadas, elas interagem independentemente aos pares, e a força sobre qualquer uma delas,